JP6225114B2 - クラスタ検出に関する装置 - Google Patents

Description

本発明は、サンプルにおける磁気粒子を有するクラスタを検出するセンサ装置及び方法に関する。更に、本発明は、斯かる装置に対するカートリッジに関する。

磁気粒子を有するクラスタを、それらを回転させ、暗視野構成において散乱される光を検出することによって検出することは、文献から知られる（Ranzoni, A.、Schleipen, J.J.H.B.、van Ijzendoorn, L.J.及びPrins, M.W.による「Frequency-Selective Rotation of Two-Particle Nanoactuators for Rapid and Sensitive Detection of Biomolecules」、Nano Lett 11、2017-2022）。上述された構成において、クラスタを持つサンプルが、キュベットに提供される。

本発明の目的は、臨床環境において、特にハンドヘルドで小型化されたバイオセンサ・プラットフォームにおいてクラスタ検出の用途を可能にする手段を提供することである。

この目的は、請求項１及び２に記載のセンサ装置、請求項３に記載の方法及び請求項１３に記載のカートリッジにより実現される。好ましい実施形態は、従属項に開示される。

第１の側面によれば、本発明は、サンプルにおいて磁気粒子を有するクラスタを検出するセンサ装置に関する。この文脈において、「磁性粒子」という用語は、永久磁気粒子及び例えば超常磁性ビーズといった磁化可能な粒子の両方を含む。磁気粒子のサイズは通常、３ｎｍ及び５０μｍの間で変動する。考えられる「クラスタ」は、いくつかの種類のバインディングにより結合される２つ又はこれ以上の粒子（それらの少なくとも１つは磁気である）の凝集物である。特に興味があるのは、特別な化学グループ及び関心のある中間的な要素を介した特異的な（生化学的）バインディングと、これとは対照的に、例えば単に磁化粒子の間の磁気引力によりもたらされる非特異性のバインディングとである。センサ装置は、以下の要素を有する。

ａ）サンプルが提供されることができる少なくとも１つのサンプルチャンバを持つカートリッジ。カートリッジは好ましくは、実質的に平面である。このカートリッジの拡張部は、以下に参照される「カートリッジ平面」を規定する。

この文脈において、その長さ及び幅（直交座標システムのｘ方向及びｙ方向における拡張）が、その高さ（ｚ方向における拡張）の約３倍より大きい、好ましくは約１０倍より大きいより場合、カートリッジは「実質的に平面」であると考えられる。更に、「平面カートリッジ」の外側表面は通常、フラットであり、及び／又は突起なしである。

カートリッジは通常、単一のサンプルに関して一回のみ用いられる交換可能な要素及び／又は使い捨ての要素である。それは、好ましくは、少なくとも部分的に透過的である。「サンプルチャンバ」は通常、オープンキャビティ、クローズ型のキャビティ又は流体接続チャネルにより他のキャビティに接続されるキャビティである。更に、１つ又は複数のサンプルを持つアッセイの平行な実行を可能にするため、斯かるサンプルチャンバが複数提供されることが好ましい。

ｂ）上述した少なくとも１つのサンプルチャンバに光を放出する光源。この光は以下、参照の目的で「励起光」と呼ばれる。光源は例えば、レーザー又は発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。これはオプションで、励起光ビームの成形及び方向付けのためのいくつかの光学部を具備する。

ｃ）サンプルチャンバにおいて変調された（即ち時間可変）磁場を生成する磁場生成器。磁場は通常、それが磁気粒子を有するクラスターの対応する変調された運動を誘導するようなものである。磁場生成器は、特に永久磁石又は電磁石により実現されることができる。

ｄ）サンプルチャンバにおいて励起光により生成された光を検出する光検出器。この光は以下、参照の目的で「出力光」と呼ばれる。出力光は特に、クラスタによる励起光の散乱により生成された光、及び／又は励起光により励起された蛍光クラスタの蛍光を有することができる。

第２の側面によれば、本発明は、サンプルにおいて磁気粒子を有するクラスタを検出する方法に関する。この方法は、リストされた又は他の任意の適切な順序で実行されることができる以下のステップを有する。

ａ）サンプル、磁気粒子を含むアッセイ試薬及び検出されるクラスタを実質的に平面のカートリッジの少なくとも１つのサンプルチャンバに導入するステップ。

ｂ）上記サンプルチャンバに励起光を放出するステップ。

ｃ）サンプルチャンバにおいて変調された磁場を生成するステップ。

ｄ）サンプルチャンバにおいて励起光により生成された出力光を検出するステップ。

センサ装置及び方法は、同じ発明の概念、即ち平面カートリッジにおいて磁気粒子を有するクラスタの検出、の異なる実現である。従ってこれらの実現の１つに関して提供される説明及び規定は、他の実現に関しても有効である。センサ装置及び方法は、それらが臨床環境においてクラスタアッセイの実行を可能にする利点を持つ。なぜなら、医療サンプルが、実質的に平面のカートリッジにおいて検査されることができるからである。このカートリッジのフォームは小さなサンプルボリュームの使用を可能にする。なぜなら、必要とされるセンサ部品が、サンプルの近くに持ってこられることができるからである。

以下において、上述したセンサ装置及び方法に関連する本発明の様々な好ましい実施形態が説明される。

光検出器は好ましくは、カートリッジの平面、即ちカートリッジの平面拡張により規定される平面に隣接して配置される。言い換えると、光検出器は、カートリッジと同じ平面に配置されない。最も好ましくは、光検出器は更に、（カートリッジの無限に広がる平面に隣接するだけでなく）カートリッジ自体に隣接して配置される。こうして、サンプルチャンバ及び光検出器の間に短い距離があることが保証されることができる。こうして、出力光の任意の損失が最小化される。光検出器は特に、カートリッジ平面に対してサンプルチャンバの上に垂直に配置されることができる。

一般に、サンプルチャンバにおける磁場の変調は、任意の時間的コースを持つことができる。好ましくは、磁場の変調は周期的である。こうして、出力光において回復されることができる特徴的な周波数が提供される。好ましい実施形態において、磁場は、回転する（即ち磁場ベクトルの少なくとも１つの要素は、所与の平面において回転する）。斯かる回転は通常、磁気クラスタの対応する回転を誘導する。

更に、磁場は、（追加的又は代替的に）少なくとも一回休止により中断されることができる。この場合、休止の持続時間は好ましくは、約０．０１〜約１０秒の間で変動する。最も好ましくは、約０．１〜約５秒の間である。磁場は特に、パルス化されることができる。即ち、オン／オフが周期的に切り替えられる。パルス周波数は、約０．１Ｈｚ〜１００Ｈｚの間の範囲にあることができる。

磁場（又は、その要素）が回転する平面は好ましくは、励起光及び／又は出力光の伝搬の（メイン又は平均）方向を有する。これは、励起光又は出力光が、それぞれ、上記平面における磁場により回転される非球面クラスタの時間可変断面を「見る」ことを意味する。従って、クラスタと、励起光又は出力光との間の相互作用も変調される。

本発明の別の実施形態によれば、光検出器により生成される検出器信号を評価する、特にそれらの時間的スペクトルに関してそれらを評価する評価ユニットが提供される（即ち、それらの時間的スペクトルの少なくとも部分が、決定される）。これは、磁場の変調、及び従ってこの磁場により作用されるクラスタに関連付けられるスペクトル信号要素を特定することを可能にする。所与の周波数で回転する磁場は例えば、クラスタを介して、この周波数又はより高次のハーモニックで検出器信号における要素を誘導する。

励起光を用いてサンプルチャンバの照射が実現されることができる異なる態様が存在する。ある実施形態によれば、非透過ブロッキングスポットが、サンプルチャンバ及び光検出器の間に提供される。ここで、励起光は、上記ブロッキングスポット上へ焦束される。従って、励起光は、サンプルチャンバ（それは、ブロッキングスポットの前にある）を通過することができるが、光検出器（それは、ブロッキングスポットの後にある）に達することができない。これは、光検出器の測定が、励起光を用いた直接的な照射により生成される高いバックグラウンド信号から保護されるという利点を持つ。同時に、励起光及び出力光の方向は実質的に平行でありえる。これは、カートリッジ平面に隣接して関連付けられる光学要素を配置することを可能にする。ブロッキングスポットは例えば、分離した光学担体又はレンズに配置されることができる。

上述した非透過ブロッキングスポットは、励起光を吸収する物質を簡単に含むことができる。好ましい実施形態において、ブロッキングスポットは、反射型でありえる。励起光は、サンプルチャンバへ反射されて戻る。こうして、その損失が防止される。

出力光は通常、互いに異なる。何故なら、それは、散乱といったランダム処理により生成されるからである。光検出器がサンプルチャンバの十分近くに配置されることができる場合、及びそれが十分に大きい場合、それは（異なる）出力光の充分な量を直接キャプチャすることができる。別の実施形態では、光学要素は、反射、屈折又は回折により光検出器上へ出力光を向ける、及び／又は焦束させるため、サンプルチャンバ及び光検出器の間に配置されることができる。

光源は、カートリッジ平面に実質的に垂直な方向からサンプルチャンバを照射するため、カートリッジの平面に隣接して（好ましくはカートリッジ自体に隣接して）配置されることができる。この場合、光検出器は、カートリッジ平面に対して光源の反対側に配置されることができる。別の実施形態では、光源及び光検出器は、カートリッジ平面の同じ側に配置される。これは、装置の他の（例えば流体）要素に関してカートリッジ平面の反対側に余地を残す。この場合、カートリッジ平面に平行に伝搬する励起光をサンプルチャンバへと向けるための「分布要素」が提供されることができる。光源は、光検出器の側部に配置されることができる。その励起光はまず、サンプルチャンバの位置に達するまで、カートリッジ平面に沿って伝搬する。ここで、それは、分布要素により上記チャンバへと向けられる。

上述した実施形態の更なる発展によれば、分布要素は、少なくとも１つの「部分的な鏡」を有する。即ち、入射する光を反射するが、入射する光の通過をも可能にする鏡である。反射される及び透過される入射光のパーセンテージは、例えばそのカラー又は分極といった上記光の特性に依存することができる。部分的な鏡は例えば、第１のカラーの入射する励起光を完全に（１００％）反射することができ、及び別のカラーを持つ入射する出力光（例えば蛍光）の完全な通過（０％の反射）を可能にすることができる。部分的な鏡を用いると、励起光は、サンプルチャンバにリダイレクトされることができ、サンプルチャンバから生じる出力光は、同時に、光検出器に渡されることができる（逆もまた真である）。

部分的な鏡が励起光に関して何らかの透明度を持つ場合、複数のサンプルチャンバが平行して照射されることができる。これは、第１の部分的な鏡を進んだ励起光が、第２の部分的な鏡により第２のサンプルチャンバに向けられることができる等のためである。系列状の部分的な鏡を用いると、複数のサンプルチャンバが、カートリッジ平面に最初は平行に伝搬する１つの励起光ビームにより照射されることができる。部分的な鏡はオプションで、励起光に関して異なる透明度を持つことができる。こうして、各サンプルチャンバが受信する励起光の量が制御される。

出力光が、励起光の散乱により（少なくとも部分的に）生成されることがとすでに述べられた。別の実施形態によれば、出力光は、励起光により励起されるときに、蛍光クラスタの蛍光により生成された光を有することができる。クラスタの誘導された運動が観測された蛍光の変動により検出されることができるよう、クラスタから蛍光の放出は、異方性でありえる。更に、クラスタの誘導される運動は、変化する断面を励起光に露出させることができる。こうして、蛍光の時間可変励起が示される。

上述した実施形態の更なる発展によれば、出力光の通過を可能にしつつ、励起光をスペクトル的に除去するフィルタ要素が、サンプルチャンバ及び光検出器の間に提供される。こうして、光検出器は、直接的な励起光の高いバックグラウンド信号から保護されることができる。これは、クラスタに関する情報を有しない。

本発明は更に、本発明によるセンサ装置又は方法において使用されるよう特に設計されるカートリッジに関する。しかしながら、このカートリッジは、独自のスタンドアロン要素（及び売買品）である。カートリッジは、以下の要素を有する。

ａ）少なくとも１つのサンプルチャンバが形成される透過的な層であって、この層を通り、励起光が伝搬することができる、層。

ｂ）上述した透過的な層に隣接して配置され、励起光が反射される「追加的な層」。

追加的な層が、鏡面反射を示す場合、それは、サンプルチャンバを去りたい光をチャンバへと戻すように反射することができる。こうして、その損失が防止される。斯かる実施形態は特に、光源及び光検出器がカートリッジの同じ側に配置される場合に用いられることができる。

カートリッジの更なる発展によれば、透過的な層は、励起光が反射される２つの追加的な層の間に配置される。この場合、上記追加的な層は、透過的な層より低い屈折率を持つ。透過的な層内を伝搬する励起光は、追加的な層で内部全反射されることができる。これは、透過的な層が励起光に関する導波管として機能することをもたらす。これは、追加的な層においてサンプルチャンバの効率的な側面照射を可能にする。

２つの磁気粒子の回転クラスタにより散乱される光の検出を概略的に示す図である。 光源及び光検出器が担体上でブロッキングスポットと共にカートリッジ平面の対向側に配置されるセンサ装置を示す図である。 ブロッキングスポットが直接レンズに配置される図２のセンサ装置の修正を示す図である。 光源及び光検出器がカートリッジの同じ側に配置されるセンサ装置を示し、励起光が分布要素によりサンプルチャンバに向けられることを示す図である。 導波管として機能する透過層が側面から照射されるセンサ装置を示す図である。 磁気的に作用されたクラスタの蛍光が観測されるセンサ装置を示す図である。 光学部が光検出器の前で用いられない図６のセンサ装置の修正を示す図である。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に説明される実施形態から明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

１００の整数倍分異なる同様な参照番号は、図において、同一の又は類似する要素を参照する。

ＵＳ２０１０／０３２２８２４Ａ１号は、磁気粒子及び光学検出に基づかれるポイントオブケア・バイオセンサを表す（フィリップス「MagnoTech」プラットフォームとも呼ばれる）。キャプチャ分子（例えば抗体）で被覆される粒子は、生物マーカーのキャプチャ及び後続の検出に関して用いられる。磁気粒子を用いる利点は、それらが磁場により作用されることができる点にある。これは、バイオセンサの速度を拡張し、一体化されたバイオセンサ・カートリッジにおける複雑な流体操作の必要性を回避する。上述された技術は、センサ表面への磁気粒子の結合及び漏れ内部全反射（ＦＴＩＲ）によるこの粒子の検出に基づかれる。

生物学的検定を実行する代替的な態様は、いわゆるクラスタアッセイである。クラスタ／凝集／集合アッセイは、粒子の生物学的又は生化学的に誘導された集合又はクラスタリングに基づかれる。これは、生物学的部分の存在及び／又は濃度を示し、ターゲット又は生物マーカーと呼ばれる。標準的なプロトコルにおいて、粒子は、ターゲットに結合し、より長い時間を待つことにより、ターゲットにリンクされたクラスタが形成される。テストは、マイクロウェルにおいて実行されることができ、集合は、目により又は器具により読み出されることができる。クラスタリングの量は、サンプルにおけるターゲットの濃度と相関される。凝集アッセイは一般に、定性的であり、あまり敏感でない。しかしながらそれらの簡単なアッセイフォーマットのため、それらは、コスト効率が良い。

特定のタイプのクラスタアッセイは、磁気粒子の使用に基づかれる。利点は、磁気的に誘導されたチェーン状の粒子の配置が適用されることができる点にある。これは、ターゲット誘導されたクラスタの急速な形成を生じさせる（Baudryその他、ＰＮＡＳ Vol. 103、p. 16076、2006）。複数の検出技術が説明された。これはらすべて、それらがクラスタの物理的な特性の小さな相対的な変化を測定し、大きなベースライン信号の存在により妨げられるという不利な点を持つ。この技術が市販アプリケーションを見つけることを妨げる別のファクターは、特に複雑な生物学的構成のマトリクスにおいて、非特異的粒子クラスタリングが発生することである。

図１は、粒子クラスタの磁気的に制御された回転及び暗視野構成において散乱光の検出に基づかれる新規な検出技術を示す（Ranzoniその他、上述）。キュベット（図示省略）において、磁気ナノ粒子ＭＰのクラスタＣが、ナノ粒子の間の生化学相互作用の結果として形成される。サンプルボリュームは、ｚ軸に沿って向けられる光のビームＬ０により励起される。入力光ビームがナノ粒子へ衝突するとき、光の散乱Ｌｓが生じる。散乱光Ｌｓは、光検出器Ｄにより検出されることができる。

回転外部磁場Ｂ（ｆ）（ｙｚ−平面において周波数ｆで回転する）を適用すると、クラスタＣは、磁場において回転し始め、光散乱Ｌｓの変調を生成する。作用及び検出スキームは、溶液における単一の粒子からクラスタの識別を可能にする。クラスタにおける特定のバインディングは、例えばパルス化された連鎖磁場（magnetic chaining field）の印加により拡張されることができ、複雑なマトリクスにおける非特異性の粒子クラスタリングは、専用の表面ケミストリーを用いて、例えば粒子上で二重層をなした分子アーキテクチャを用いて減らされることができる。

図１の検出原理が、ポイントオブケア用途に適している場合、好ましくは以下の要件を満たすカートリッジ技術及び読み出し技術が必要とされる。

１．カートリッジ及びリーダーは、信頼性が高く使いやすいべきである。カートリッジは、使い捨てでコスト効率が良いべきである。カートリッジは、例えばサンプル濾過、サンプルへの試薬発散、培養、検出等の複数の機能を一体化することが可能であるべきである。リーダーは、コンパクトでコスト効率が良いべきである。

２．カートリッジ及び読み出しシステムは、アッセイ・マルチプレクシングを可能にするため、複数のアッセイチャンバに適しているべきである。好ましくは、この技術はスケーラブルであるべきである。これは、カートリッジにおけるアッセイチャンバの数を変化させることを容易にする。

３．好ましくは、システムは、小さなサンプルボリューム、例えば血液の指刺サンプルに適しているべきである。好ましいサンプルボリュームは、１００μｌから１μｌよりかなり低いボリュームまでの範囲である。サンプルは、カートリッジにおいて１つ又は複数の反応チャンバにわたり分割されることができる。

４．検出は、敏感である必要があり、最も高い可能な信号が、検出チャンバに存在するすべての磁気クラスタから集められるべきである。これは、光学システムが、すべてのチャンバにおいて磁気粒子を効果的にプローブすべきであることを意味する。

５．カートリッジ技術は、磁気粒子に対する動的な磁場の適用のため、電磁気システムの存在と互換性を持つべきである。

上述したすべての問題を解決するため、カートリッジ及びリーダーを持つシステムが提案され、これは、
少なくとも１つのサンプルチャンバ（反応チャンバ）を備える基本的に平面アーキテクチャを持つカートリッジと、
少なくとも１つのサンプルチャンバにおいて磁気粒子のクラスタの磁気作用に関する構成を備えるリーダー器具と、
少なくとも１つのサンプルチャンバにおいて磁気粒子を光学的に励起させる光学構成と、
少なくとも１つのサンプルチャンバにおいて磁気粒子から散乱された光を検出する光学検出構成であって、光学検出の軸が好ましくは、カートリッジ法線に実質的に平行である（即ちカートリッジ平面に垂直である）、光学検出構成とを有する。

敏感な検出のため、散乱光は、高い効率で検出されるべきである。好ましくは、暗視野測定を実現するため、励起光は、光学検出器に直接達しない。しかしながら、暗視野検出は必ずしも必要でない点に留意されたい。なぜなら、動的に作用されたクラスタからの信号が、適切なスペクトルフィルタリング（時間的ドメインにおいて）により得られるからである。これにより、任意の散乱又は反射光は励起ビームから除去される。しかしながら、直接的な散乱又は反射励起光からのＤＣ状の貢献があまりに大きくなる場合、これは、減少した信号対ノイズ比及び回転クラスタ信号の減少したダイナミックレンジをもたらす場合がある。従って、暗視野検出は好まれる。なぜなら、それがより良好なＳＮＲ及びより大きなダイナミックレンジをもたらすからである。

更に、「暗視野」という用語は、以下の２つの状態に関して等しく好適に用いられることができる点に留意されたい。

（１）光学ドメインにおける空間フィルタリングを用いた光学暗視野検出。

（２）電子ドメインにおける適切なスペクトルフィルタリングを用いた光学明視野検出。

好ましくは、検出光学部の開口数ＮＡｄｅｔは、高い検出効率を保証するため、できるだけ高いべきである。２つの隣接したサンプルチャンバの間の間隔Ｄを持つ特定のサンプルチャンバ・ジオメトリ及び特定の焦点距離ｆ_ｄｅｔを持つ検出光学部を想定すると、開口数は

により制限されるか、又は、サンプルチャンバ間隔が、

となるよう選択されるべきである。

高い開口数が実現され及び用いられることができるが、このシステムは、カートリッジ又はリーダー光学部上のスクラッチ、指紋又は塵といった光学乱れに対して本質的に感度が低い。なぜなら、これらの乱れが、安定した、ＤＣ状の信号劣化をもたらし、これは、位相敏感な検出スキーム（即ち、フーリエ周波数ドメインにおけるフィルタリング）により除去されるからである。

図２において、上記の原理に基づき設計されるセンサ装置１００の第１の実施形態が示され、これは、平面カートリッジ１１０における回転クラスタの暗視野検出を行うことができ、及び複数のサンプルチャンバ１１４を同時に検出することができる。カートリッジ１１０は、
透過的な底部基質１１３と、
透過的な上部基質１１１と、
複数のサンプルチャンバ１１４を含む中間的な層１１２とを有する。

中間的な層１１２及びより詳細にはサンプルチャンバ１１４は、エンボシング又は射出成形といった技術を用いることにより、上部及び／又は底部層１１１、１１３の一部とすることもできる。また、サンプルチャンバ１１４にサンプル流体を持ってくるのに必要とされるマイクロ流体工学部（図示省略）が、中間的な層１１２の部分とすることができるか、又は、それは、上部及び／又は底部層１１１、１１３において直接作られることができる。

カートリッジ１１０は、読み出しシステム又は「リーダー」１５０に挿入される。これは、以下を有する。

光源１６０。即ち「励起光」Ｌ０の収束ビームの系列を作る光学構成。個別の収斂ビームが、サンプルチャンバ１１４を照射する。

小さな不透明体又は反射領域を含む透過的な基質１７２であって、以下「ブロッキングスポット」１７３と呼ばれ、励起光ビームの焦点に配置される、透過的な基質。これにより、励起光がブロックされ、それが検出器に当たり、これを飽和させることを防止する。ブロッキングスポット１７３が反射している場合、励起光Ｌ０は、再びサンプルチャンバの方へ向けられる。これは、更に２つの信号のファクターを生じさせる。

対応するサンプルチャンバ１１４において生成される「出力光」Ｌｓを検出する光検出器１８０のアレイ。各光検出器１８０は、単一のＳｉ検出器又はＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサといった２Ｄアレイ（の一部）とすることができる。この方法は、バルクサンプル測定に依存するので、撮像及び平面分解能は必要とされず、単一の検出器の使用が好まれる（コスト及び信号対ノイズの側面から）。

光検出器１８０により提供される検出信号Ｓを処理及び評価する評価ユニット１４０。例えばデジタルデータ処理ユニット。

ここでは四重極構成において４つの電磁石１９０ａ、１９０ｂ、１９０ｃ及び１９０ｄにより実現される磁場生成器１９０。

各光検出器１８０の検出器信号Ｓは、対応するサンプルチャンバ１１４から生じる散乱された出力光Ｌｓから得られる。この散乱光Ｌｓは、サンプルチャンバ１１４及び光検出器１８０の間に配置されるレンズ１７１により集められ、検出器１８０に焦束される。

マルチプレクス化するのに、サンプルチャンバ１１４の（１次元又は２次元）アレイが必要とされる。完全な実施形態は、関連付けられる光源のアレイ、ブロッキングスポット１７３、レンズ１７１及び光検出器１８０を含む。異なるチャンバ１１４の間の光学クロストークを防止するため、１つのチャンバから生じる散乱された出力光Ｌｓが、別のチャンバの検出光学部により検出されないよう、予防措置がとられるべきである。

また、リーダー１５０の部分は、変調された磁場を作成する磁石構成１９０である。好ましくは、これは、ｘｚ−平面において回転する磁場Ｂｘｚ、又はｙｚ−平面において回転する磁場Ｂｙｚである（又は、これらの組み合わせ）。いずれの場合においても、磁場の回転は、励起ビームＬ０（これは、ｚ軸に沿って向けられる）を含む平面にある。

各光検出器１８０からの検出器信号Ｓは続いて、評価ユニット１４０においてスペクトル的にフィルタリングされる。その結果、回転クラスタからの貢献だけが得られる。これにより、例えば単一のナノ粒子、スクラッチ等から生じるＤＣ成分が除去される。

図３〜図７は、図２のセンサ装置及びカートリッジの様々な修正を示す。ここで、同一の又は類似する要素は、１００の整数倍分異なる参照符号を持ち、再び説明されることはない。それらは常に構成の部分であるが、磁場検出器１９０及び評価ユニット１４０がこれらの図面において示されない点に留意されたい。

図３は、クラスタアッセイの暗視野検出に関するセンサ装置２００の第２の実施形態を示す。図２のセンサ装置とは対照的に、暗視野検出を可能にするブロッキングスポット２７３は、レンズ２７１の部分である。反射又は吸収スポット２７３は、標準的な薄層堆積技術により、レンズ２７１の上部に直接作られることができる。

更に、別々のレンズ２７１の集合は、射出成形、２Ｐ−複製又はガラスモールディングといった標準的な技術を介して作られる、レンズアレイといった単一の要素により置換されることができる。別々のレンズの間の固定された距離を持つレンズアレイを用いる利点は、製作の間、光学システムが整列される点にある。この場合、励起ビームＬ０を生成する個別の光源の間、個別のレンズ２７１の間、及び個別の検出器２８０の間の距離は、固定され、個別のサンプルチャンバ２１４の間の距離により決定される。

図４は、クラスタアッセイの暗視野検出に関するセンサ装置３００の第３の実施形態を示す。ここで、励起光学部及び検出光学部は、カートリッジ３１０の片側にのみ配置される。このジオメトリの利点は、（ｉ）唯一の光学的に透過的な（底部）基質３１３の使用、及び、（ｉｉ）薄い、平面読み出しシステムの実現である。ここで、すべての光学部は、カートリッジの片側にのみ配置される。

ちょうどカートリッジ３１０の下に、光学構成又は「分布要素」３７４が配置される。これは、異なるサンプルチャンバ３１４にわたり入力励起光ビームＬ０を分散させる。分布要素３７４は、部分的に反射している、分極している又は非分極性のビーム分割鏡３７４ａを含む単一の導波性光学要素に含まれることができる。ここで、カートリッジ３１０へと光を結合させるために、別々の光学部が用いられることもできる。個別のサンプルチャンバ３１４に達する光の全体の強度がすべてのチャンバに関して同じであるよう、個別の鏡３７４ａの反射係数は慎重に選択されることができる。励起ビームＬ０からの迷光が検出器３８０に当たることを防ぐため、（ｉ）それが上部カートリッジ層３１１に当たるとき、光が完全に吸収されるべきであるか、又は（ｉｉ）上述したのと同じ態様で、吸収している又は反射しているブロック要素３７３の方へ光を完全に反射する別の中間的な「追加的な層」３１５に光が当たる。これにより、散乱光の暗視野検出が可能にされる。

図５は、横態様励起を持つクラスタアッセイの暗視野検出に関するセンサ装置４００の第４の実施形態を示す。ここで、励起光Ｌ０は、サンプルチャンバ４１４を含むカートリッジ４１０の透過的なガイド層４１２に結合される。光源４６０からの光を導波性要素に結合されるための光学構成は、従来技術においてよく知られる。例えば、（ｉ）カートリッジ４１０の側で光を焦束させる、適切なＮＡを持つレンズを用いるバットカプリング、（ｉｉ）下の層４１１、４１３の上部で平面回折又は屈折構造を用いるものである。

カートリッジ４１０の透過的な層４１２を光学導波管として機能させるため、カートリッジの異なる層４１１、４１２及び４１３は、ガイド層４１２より低い屈折率を持つ中間的な「追加的な層」４１５を用いて、例えば低い屈折率を持つ光学接着剤を用いて相互接続されるべきである。

励起光Ｌ０の伝搬のメイン方向は、ｘ方向（検出はそれでもｚ方向）であるので、これは、（ｉ）散乱光Ｌｓが、励起ビームＬ０に対して直角で集められる、及び、（ｉｉ）回転磁場（Ｂｘｚ又はＢｘｙ）の平面の方向が好ましくは、ｘｚ−及び／又はｘｙ−方向にあることを意味する。

図６は、蛍光性ラベルをつけられた磁気ナノ粒子を用いた暗視野検出に関するセンサ装置５００の第５の実施形態を示す。暗視野検出は、蛍光性ラベルをつけられた磁気ナノ粒子を用いることにより、スペクトル（即ち波長）光学ドメインにおいて得られることもできる。この場合、サンプルチャンバ５１４及び光検出器５８０の間の適切な光学フィルタ５７５により、励起光ビームＬ０からの直接的な迷光が光検出器５８０に当たるのが防止されるので、励起光学部は非常に簡単になる。カートリッジ５１０は、例えば光Ｌ０の一様なビームを持つ単一の光源５６０により全体として照射されることができる。この照射が、底部（図４のような）から又は側面（図５）から実行されることもできる点に留意されたい。

ブロッキングスポットの役割は、スペクトル（波長）フィルタ５７５により置換される。これにより、励起波長が除去され、高い強烈な励起ビームにより検出器が飽和することが防止される。蛍光出力光Ｌｆだけが、検出器５８０に達することができる。第２のフィルタリングステップが、スペクトル（時間）ドメインにおいて発生する。これにより、検出器信号の例えば２ｆ−成分だけが、検出され、バルクサンプル流体に存在する分析物の濃度を説明する（ここで、ｆは、回転磁場の回転の周波数である）。

空間フィルタ（ブロッキング要素）の欠如が原因で、検出光学部も、かなりより簡単になることができ、リーダーは、検出器をカートリッジのできるだけ近くに配置することにより、追加的なレンズ５７１なしに構築されることができる。

蛍光性ラベルをつけられた磁気ナノ粒子を用いるセンサ装置６００の対応する実施形態が、図７に示される。サンプルチャンバ６１４の領域のオーダーのフットプリントを持つ検出器６８０を用いることにより、収集された蛍光出力光Ｌｆの量は、レンズを用いることなく最大化されることができる。この場合、非常にコンパクトで極薄のリーダーデバイス６５０が得られる。これは、図７に示され、ここで、励起ビームＬ０が上から生じるが、励起ビームは、下から、又はカートリッジ６１０の側面から同様に好適に生じることができる。

蛍光の使用は、追加的な空間フィルタリング光学部により、励起ビームＬ０が検出器に当たることを防止する必要性を除去し、これにより、（蛍光性）散乱クラスタから収集される光の効率が最大化されるという利点を持つ。更に、それは、非常にコンパクトで簡単なリーダージオメトリを可能性として可能にする。不利な点は、散乱断面と比較して、いくらか低い全体の蛍光断面（吸収断面×蛍光量子収量）である。

図７に示されるように極薄のシステムが要求されるとき、磁気アセンブリ（コイル、コア、ヨーク）を含むすべての要素は可能な限りｘｙ−平面にあるべきである。磁気回転の平面がｘｙ平面にあるとき、好ましくは、励起光ビームＬ０は、ｘｙ−平面において、側面からサンプルチャンバの方へ向けられるべきである。磁気回転の平面がｘｚ−平面又はｙｚ−平面にあるとき、好ましくは、励起はｚ軸に沿って用いられる。

まとめると、本発明は、サンプルにおいて磁気粒子を持つクラスタを検出するセンサ装置及び方法を提供する。サンプルは、磁場生成器により生成される変調された磁場に対して露出される実質的に平面カートリッジの少なくとも１つのサンプルチャンバにおいて提供される。サンプルチャンバは、励起光Ｌ０で照射され、結果として生じる出力光Ｌｓ、Ｌｆは、光検出器により検出される。磁場は特に、回転することができる。これは、クラスタの対応する回転を誘導し、次に検出信号の変動を誘導する。好ましい実施形態によれば、励起光は、サンプルチャンバの後のブロッキングスポットへ焦束される。こうして、直接的な照射から光検出器が保護される。

好ましくは、光学励起の軸が粒子クラスタの角作用の平面に含まれるよう、磁気作用は選択される。このジオメトリにおいて、クラスタは、時間変調された断面を励起光に対して露出させる。クラスタが異なる平面において回転する場合、この原理はまだ有効である。しかしながらクラスタ当たりの信号はより低くなる可能性がある。

好ましくは、四極子電磁石が、磁気作用に関して用いられる。対向する棒先端の表面が平行で、対向する棒のコアが並んでいるとき、磁場は、先端の間のギャップにおいて高い空間一様性を持つ（上述のRanzoniその他参照）。代替的に、コアの平面の外側で磁場を生成するよう、ある角度に方向付けられる棒先端を持つ磁石が用いられることができる（Janssen, X.J.A.、van Reenen, A.、van Ijzendoorn, L.J.、de Jong, A.M.及びPrins, M.W.J.による「The rotating particles probe: A new technique to measure interactions between particles and a substrate」、ColＬ０ids and Surfaces A：Physicochem. Eng. Aspects 373、pp 88-93（2011）参照））。

検出の間、磁気粒子は、サンプルチャンバにおいて拡散されることができる。代替的に、粒子は、（例えば磁気力により）最初にサンプルチャンバの光学ウィンドウに向かって移動され、続いて、光学ウィンドウの近くの検出領域において検出が実行される。

好ましくは、サンプルチャンバにおける磁気クラスタが、サンプルチャンバの検出領域においてクラスタの空間位置から基本的に独立している検出器において、信号を生成する。非常に好ましくは、磁場、光学励起場及び光学検出効率は、サンプルチャンバの検出領域において、全く一様である。

カートリッジに対してリーダーが機械的に静的である（静的な撮像）間、又はカートリッジに対してリーダーがスキャンする（読み出しスキャン）間、光学信号の収集が実行されることができる。サンプルが非常に大きな平面形状を持つとき、例えば多くの分離したサンプルチャンバの場合又は１つ又は複数の非常に大きなサンプルチャンバの場合（例えば、サンプルが、スライドにわたり拡散する場合）、読み出しスキャンは、有益でありえる。

平面アーキテクチャを持つ本発明の手法は、以下の利点を提供する。

コスト効率の良いカートリッジの大量生産に適していること。

カートリッジのリーダーへの機械的な挿入が簡単であること。

カートリッジ及びリーダーの有効な光磁気整列。

平面構成が、チップ状の光学センサの平面ジオメトリと互換性を持つこと。

平面空間は、例えばフィルタリング、（ウェット又はドライ状態から）サンプルへの試薬発散、サンプルチャンバへの搬送等といった流体機能に関して利用可能であること。

平面カートリッジの両側で、２つの半空間が、電磁石及び光学構成に関して利用可能であること。

電磁石及び光学構成が１つの半空間に配置される場合、カートリッジの他の半空間側面は、更なる流体機能に関して利用可能であること。更なる流体機能は例えば、ピペットロボットへのアクセスの付与である。

平面アーキテクチャは、マルチチャンバ処理に関してシステムの平面スケーラビリティを与えること。ここで、分離した光学信号が、分離したサンプルチャンバから集められる。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (22)

1. サンプルにおいて磁気粒子を持つクラスタを検出するセンサ装置であって、
   ａ）前記サンプルが提供されることができる少なくとも１つのサンプルチャンバを持つ外側表面がフラットな平面のカートリッジと、
   ｂ）前記サンプルチャンバに励起光を放出する光源と、
   ｃ）前記サンプルチャンバにおいて変調された磁場とパルス化された連鎖磁場を生成する磁場生成器と、
   ｄ）前記サンプルチャンバにおいて励起光により生成された出力光を検出する光検出器とを有する、センサ装置。
2. サンプルにおいて磁気粒子を持つクラスタを検出する方法において、
   ａ）外側表面がフラットな平面カートリッジの少なくとも１つのサンプルチャンバに前記サンプルを導入するステップと、
   ｂ）前記サンプルチャンバに励起光を放出するステップと、
   ｃ）前記サンプルチャンバにおいて変調された磁場とパルス化された連鎖磁場を生成するステップと、
   ｄ）前記サンプルチャンバにおいて励起光により生成された出力光を光検出器で検出するステップとを有する、方法。
3. 前記光検出器が、前記カートリッジの外側表面に隣接して配置される、請求項１に記載のセンサ装置。
4. 前記光検出器が、前記カートリッジの外側表面に隣接して配置される、請求項２に記載の方法。
5. 前記変調された磁場が、前記励起光及び／又は前記出力光を有する平面において、回転する、請求項１に記載のセンサ装置。
6. 前記変調された磁場が、前記励起光及び／又は前記出力光を有する平面において、回転する、請求項２に記載の方法。
7. 時間的スペクトルに関して前記検出器信号を評価する評価ユニットが提供される、請求項１に記載のセンサ装置。
8. 時間的スペクトルに関して前記検出器信号を評価する評価ユニットが提供される、請求項２に記載の方法。
9. 非透過ブロッキングスポットが、前記サンプルチャンバと前記励起光が焦束される前記光検出器との間に提供される、請求項１に記載のセンサ装置。
10. 非透過ブロッキングスポットが、前記サンプルチャンバと前記励起光が焦束される前記光検出器との間に提供される、請求項２に記載の方法。
11. 前記光検出器上へ出力光を向けるため、光学要素が、前記サンプルチャンバ及び前記光検出器の間に提供される、請求項１に記載のセンサ装置。
12. 前記光検出器上へ出力光を向けるため、光学要素が、前記サンプルチャンバ及び前記光検出器の間に提供される、請求項２に記載の方法。
13. 分布要素が提供され、前記分布要素が、前記カートリッジの外側表面に対して平行な前記分布要素に到達する励起光を前記サンプルチャンバへと向ける、請求項１に記載のセンサ装置。
14. 分布要素が提供され、前記分布要素が、前記カートリッジの外側表面に対して平行な前記分布要素に到達する励起光を前記サンプルチャンバへと向ける、請求項２に記載の方法。
15. 前記分布要素が、少なくとも１つの部分的な鏡を有する、請求項１３に記載のセンサ装置。
16. 前記分布要素が、少なくとも１つの部分的な鏡を有する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記出力光が、クラスタの蛍光により生成される光を有する、請求項１に記載のセンサ装置。
18. 前記出力光が、クラスタの蛍光により生成される光を有する、請求項２に記載の方法。
19. 出力光の通過を可能にしつつ、励起光をスペクトル的に除去するため、前記サンプルチャンバ及び前記光検出器の間に、フィルタ要素が提供される、請求項１７に記載のセンサ装置。
20. 出力光の通過を可能にしつつ、励起光をスペクトル的に除去するため、前記サンプルチャンバ及び前記光検出器の間に、フィルタ要素が提供される、請求項１８に記載の方法。
21. ａ）少なくとも１つのサンプルチャンバが形成される透過的な層であって、前記層を通り励起光が伝搬する、透過的な層と、
    ｂ）前記励起光が反射される前記透過的な層に隣接した追加的な層とを有する、請求項１に記載のセンサ装置に関するカートリッジ。
22. 前記透過的な層が、前記透過的な層より低い屈折率を持つ２つの追加的な層の間に配置される、請求項２１に記載のカートリッジ。

Images